《Powder Technology》：Impact of immersed tube arrangements on heat transfer and solid circulation rate in a U-type loop seal with external heat exchanger in a fluidized bed reactor
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环形密封与外部换热器组合系统中浸没管束排列方式（直线与交错）对热交换和固体循环率的影响。实验表明交错排列使床压降增加13%但热交换系数提高10%，固体循环率降低5%，侧吹气流量促进两者协同优化。
作者：阿提蓬·阿玛特松（Atipong Armatsombat）、福利特·朱尔蒙（Pholritt Julmon）、川·彭帕萨（Chuan Paengpatsa）
部门：泰国孔敬大学（Khon Kaen University）技术学院生产系统技术及工业管理系，孔敬市40002
摘要
本研究探讨了带有外部换热器（LSEHE）的循环密封结构中浸没管布置对热交换效果和固体循环速率的影响。实验在装有U型循环密封装置的上升管中进行，该装置配备了改进型外部换热器，用于从系统中传递额外的热量。实验中使用了两种浸没管束布置方式：同线排列和交错排列，每种方式包含9根直径为16毫米的管子。循环室的两侧壁上设置了侧向通风口，这些通风口相对于水平方向呈45°顺时针倾斜，距离分配板240毫米。床层颗粒由平均直径为300微米的沙子组成。结果表明，交错排列方式导致的床层压降比同线排列方式高出约13%，平均传热系数高出约10%；然而，同线排列方式的固体循环速率降低了5%。侧向通风有助于提高固体循环速率和热交换效率。足够的侧向通风流量使两种管束布置方式的固体循环速率趋于一致。不过，这两种布置方式对最小流化速度没有显著影响。
引言
循环流化床反应器（CFB反应器）因其众多优点而被广泛使用，如高燃烧效率、能够使用多种燃料、结构简单以及排放量较低。用于蒸汽生产的CFB反应器通过在上升管内燃烧燃料并与安装在上升管内壁的膜式水管进行热交换来工作，从而实现循环流化床锅炉（CFB锅炉）的功能[1][2][3][4]；而用于气体生产的CFB反应器则是循环流化床气化器（CFB气化器）[5][6][7]，通过燃烧燃料驱动化学反应。因此，CFB反应器的性能受固体循环速率的影响，而固体循环速率在控制蒸汽生成速率和燃烧过程中的化学反应停留时间方面起着关键作用。
CFB锅炉和CFB气化器都采用非机械阀门来连接上升管和回流管，以调节固体循环速率。这类阀门在高温高压环境下运行稳定，结构简单且易于维护，常见的类型包括V阀、J阀和L阀[8][9][10][11][12]。此外，循环密封[13][14][15]作为一种非机械阀门，因其能有效控制固体循环速率并有效防止颗粒产生背压而得到广泛应用[16]。
循环密封由两个腔室组成：供应腔室（连接回流管）和循环腔室（连接上升管），其作用类似于阀门，使固体颗粒从回流管进入上升管。循环密封通过位于供应腔室和循环腔室底部的分配板引入空气，使颗粒表现出类似流体的行为（即流化现象），形成湍流床或气泡床状态。但由于供应腔室上方回流管中积累的颗粒数量较多，导致供应腔室内的静压较高[18][19]，这种压力差促使颗粒从回流管流入上升管。与其他类型的非机械阀门相比，循环密封能更有效地防止背压。
鉴于循环密封的这些优势，许多研究人员关注影响其运行的因素，并寻求提高其性能的方法。增加底部通风流量有助于更快地将颗粒送入上升管[20][21][22]；供应腔室的侧向通风也能促进颗粒循环[23][24][25]；循环腔室的侧向通风同样能增加循环速率[26]；供应腔室和循环腔室中底部通风的比例也是影响固体循环速率的关键因素[21][22]，因为这会影响颗粒的运动模式。通常认为供应腔室中约70%的通风量是实现最大固体循环速率的最佳值[27]。循环密封的结构设计（无论是U型、N型还是双出口型）对CFB系统内的固体循环速率至关重要[28][29][30][31]；随着颗粒直径和密度的增加，固体循环速率会降低[24][28]，因为额外的重量和惯性会减缓颗粒运动；相反，较高的床层物料量会提高固体循环速率[32]，从而增加系统内的颗粒数量。此外，床层物料量还决定了CFB系统的最大固体循环速率[33]。上述所有因素也会影响CFB反应器各部分的压力降[34][35]。
循环密封除了用于控制固体颗粒循环速率外，还可以通过在循环腔室内安装浸没管束来充当外部换热器（LSEHE）[36]。这是因为循环密封和外部换热器中的颗粒运动行为相似，都表现出湍流床和气泡床的特性，有利于颗粒与管壁之间的热交换。不过，颗粒与浸没管之间的热交换受到多种因素的影响，包括颗粒的流化状态（受分配板供气影响，从而产生气泡[37][38]），以及气泡周围的乳液相与管壁的接触[39]。颗粒与管壁的接触频率和接触时间越长，传热系数越高[40][41]；较高的接触频率和较短的接触时间有利于新鲜颗粒与管壁接触，这受通风量和固体循环速率的影响[42]。底部通风会影响管壁周围的热交换效果，通常顶部表面的传热系数低于底部和侧面表面[43][44][45]，因为底部通风不会干扰管面上的颗粒。循环腔室的侧向通风[36]也有助于提高顶部表面的传热系数，因为它能促使颗粒更自由地移动。此外，声波的使用[46]也能增强顶部表面的传热效果；不过，安装在浸没管上的散热片会阻碍颗粒与管壁的接触[47]。
在循环腔室内安装浸没管束可吸收CFB反应器的热能，但这种布置会阻碍颗粒流动路径，导致固体循环速率降低，从而因气流摩擦而增加压力降。因此，本研究将探讨浸没管布置对LSEHE内颗粒运动行为的影响，进而影响CFB反应器的热交换效率和固体循环速率。这项研究为LSEHE设计优化提供了新见解，有助于在保证固体循环稳定的同时实现高效的热量回收。
实验部分
实验使用了冷模型流化床反应器（如图1所示）。上升管的截面积为80×80毫米2，高度为4000毫米（从分配板算起）。高压鼓风机通过上升管底部的分配板提供空气，形成向上气流以分散和输送颗粒。上升管内的表观流速（Ug）维持在5米/秒。从上升管排出的颗粒被旋风分离器捕获并导向后续处理系统。
结果与讨论
通过分配板进入循环密封底部的空气流速称为表观流速（U）。该空气穿过颗粒间隙，促使颗粒相对于腔室壁运动，从而在腔室内产生压降（ΔP）。如图7所示，随着U值的增加，ΔP逐渐增大并趋于稳定。在ΔP保持稳定的阶段，颗粒表现出类似流体的行为……
结论
在循环密封中安装浸没管束（即带有外部换热器的循环密封LSEHE）后，床层压降（ΔP）比传统循环密封更高。交错排列的浸没管束导致的ΔP比同线排列高出约13%；不过，两种布置方式的最小流化速度（Umf）均为0.082米/秒。
作者贡献声明
阿提蓬·阿玛特松（Atipong Armatsombat）：负责撰写初稿、数据可视化、软件开发、项目管理、方法设计、实验设计、资金申请、数据分析、概念构思及资源协调。
福利特·朱尔蒙（Pholritt Julmon）：负责文本审阅与编辑、结果验证。
川·彭帕萨（Chuan Paengpatsa）：负责项目监督及资源调配。
未引用参考文献
[52][53][56][59][60][61][62]
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究由孔敬大学2025年度青年研究员发展项目资助。
